Forschung

Objektiv aus Metalinsen

28.12.2022 - Elektrisch verstellbare Mikrolinsen funktionieren bereits im Infraroten.

Forscher der Universität Stuttgart entwickeln ein Metaobjektiv, dessen Brennweite auf Knopfdruck verstellbar ist. Die Wissenschaftler präsentieren ein elektrisch schaltbares Meta­objektiv. Es besteht aus zwei Meta­linsen, die unabhängig voneinander schaltbar sind. Auf diese Weise sind mehrere Kombinationen möglich, die verschiedene Brennweiten ergeben. Objektive dieser Bauart könnten zukünftig in einem flachen Smart­phone verwendet werden, ohne weitere mechanische Bauteile oder einen komplizierten, störanfälligen Mechanismus.

 

Bei herkömmlichen Smartphones ist zoomen meist nur digital möglich, indem man eine Szene mit zwei Fingern aufzieht. Doch das Ergebnis ist oft nicht zufrieden­stellend. Das Bild wird nur vergrößert, zu sehen sind grobe Pixel. Um Fotos von höherer Qualität zu erreichen, sind Smartphones der neuesten Generation deshalb oft schon mit mehr als vier Linsen­systeme ausgestattet. Die Mehrfachlinsen mit verschiedenen Festbrenn­weiten sind vergleichbar mit den früheren Wechsel­objektiven von Kleinbildkameras, die sowohl Weitwinkel- als auch Teleaufnahmen ermöglichen.

Einen ganz neuen Weg sind die Stuttgarter Physiker und Chemiker um Harald Gießen vom 4. Physikalischen Institut gegangen. Sie haben nach einem System gesucht, mit dem man optisch zoomen kann, wie bei einem großen optischen Objektiv. Dazu müsste jedoch die Brennweite des Objektivs veränderbar und nicht auf einen Wert fixiert sein. Man kennt das vielleicht noch: 28 Millimeter Brennweite an einer Kleinbildkamera gehören zu einem Weitwinkel­objektiv, 50 Millimeter hat ein Normal­objektiv und 135 bis 200 Millimeter stellen ein Teleobjektiv dar. Sportreporter mit ihren großen Tele­objektiven nutzen oft Brennweiten von 500 Millimeter und mehr.

Das Team entwickelte ein Linsensystem, dessen Brennweite sich per Knopfdruck verstellen lässt. Dazu kombinierten die Forscher Meta­oberflächen aus kleinen, weniger als ein Mikrometer großen Nanoantennen. Diese Nano­antennen sind aus einem leitfähigen Polymer hergestellt, das auf Knopfdruck durch Anlegen einer kleinen Spannung im Bereich von einem Volt seine optischen Eigenschaften drastisch verändern kann. Das Schalten, mit dem sich die Brennweite ändern lässt, geschieht in Bruchteilen einer Sekunde. Dabei wird das Polymer von einem metallischen, reflektierenden Zustand in einen dielektrischen, transparenten Zustand umgeschaltet.

Bisher funktioniert das Objektiv erst im infraroten Wellenlängenbereich, berichtet Julian Karst, der Erstautor der Studie. Auch ist die Effizienz dieser Meta­oberflächen noch nicht mit herkömmlichen Linsen vergleichbar, ein Teil des Lichtes wird noch nicht fokussiert. Für die Zukunft hofft Harald Giessen, in dessen Team die Forschungsarbeiten durchgeführt wurden, auf bessere Materialien aus der Chemie und der Material­wissenschaft. Insbesondere ist die Elektronendichte zu erhöhen, damit die Linsen auch für sichtbares Licht funktionieren. Auch die Schalt­zeiten müssen reduziert werden, damit Frequenzen von über 100 Hertz oder sogar Kilohertz erreicht werden können.

U. Stuttgart / DE

 

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